超分子化学,环糊精课件

环糊精一，定义环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6~12个D-吡喃葡萄糖单元。

环糊精是最普遍的研究最多的，最便宜易得的商品化主体分子，是全饱和分子，其刚性依赖于分子内的氢键结合的锐曲率半径。环糊精作为一类很重要的主体化合物，在食品，化妆，药品等领域也有很重要的作用。

二，结构分类常见的环糊精有α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精3种，分别由6个、7个或8个葡萄糖单元以1，4糖苷键结合而成。环糊精分子形状为“内疏水，外亲水”的略呈锥筒状的空腔结构，如图（一）。正是这种特殊结构，使得环糊精能作为“宿主”包合不同“客体”化合物，形成特殊结构的包合物(InclusionComplex)，由此而形成主客体化学，也是当前热门课题——超分子化学的一部分。环糊精分子中，C-2处的羟基易与相邻的吡喃葡萄糖单元C-3位的羟基形成氢键。由于分子大小适中，β-CD分子内形成的是环形的全氢键带，使分子具有相当的刚性，导致其在水中的溶解度最低(图2-1)；α-CD虽然在理论上有六组氢键，但由于其结构中有一个葡萄糖基单元处于扭曲状态，其圆环结构不完全对称，六个吡喃葡萄糖单元之间只形成四个氢键，空腔内未形成全氢键带，因此在水中的溶解度大于β-CD；γ-CD属于非共平面、具有绕性结构的分子，溶解度大于α-CD和β-CD。对环糊精的水溶液和二甲基亚砜溶液进行研究发现，环糊精羟基与溶剂问的氢键相对较弱；同时C-6位羟基几乎不参与分子内氢键的形成。

三，物理性质环糊精的物理性质见表2。三种环糊精为白色结晶粉末，β-环糊精的水溶解度最低，易于由水溶液中结晶提纯。由于所含葡萄糖单元的多少不同，各种环糊精在物理性质上有很大的区别。β-环糊精的溶解度与其它两种环糊精差别如此之大，主要是因为环糊精聚集体与周围水分子的相互作用力不同以及在固态下晶格能的差别造成的。从表2中也可以看出，环糊精在水中的溶解度随温度上升而增高，在有机溶剂中，如甲醇、乙醇、丙酮等，环糊精不溶解。能够溶解环糊精的有机溶剂很少，因此可以利用此性能来提纯环糊精。环糊精对热和机械作用都相当稳定，没有固定的熔点，200℃开始分解。不同环糊精的热稳定顺序为：γ-环糊精＞α-环糊精＞β-环糊精。经大量实验证明，环糊精本身无毒性，可以被人体所吸收。四，化学性质（1）化学反应环糊精具有非还原的端基，一般在非还原糖的鉴别反应中呈阳性反应。因而，它们与蒽酮呈显色反应，该法可用于环糊精的定量测定。高碘酸盐氧化α-、β-和γ-CD时没有甲酸或甲醛的生成，证明环糊精分子中不含有游离的端基。一个葡萄糖单元消耗一摩尔的高碘酸盐。经过起始诱导过程后，氧化作用速率周期性的增加，起始速率按α-<β-<γ-CD顺序增加。研究发现非环状糊精则没有该诱导期。环糊精在强碱溶液中的电阻与纤维素相似。（2）放射分解

β-和γ-CD经γ-射线辐射，分子的断裂主要发生于l，4-糖苷键。然而，该机理不同于酸水解，没有葡萄糖生成，主要产物是麦芽六糖、丙二醛和葡萄糖酸，还有氢、一氧化碳和二氧化碳。在水中环糊精浓度增加时会降低其降解。在稀溶液中的降解类似于其酸水解。脱氧β-CD水溶液经辐射后，在放射分解物中可检测到葡萄糖、麦芽糖等物质。（4）酶降解环糊精有一个值得注意的性质是它们对淀粉水解酶有很好的抵抗力。三由于环糊精不包含对β-淀粉酶敏感的端基，因此它们对β-淀粉酶有很好的抵抗力。而α-淀粉酶是结合分子内部，不需要自由端基，故它可以水解环糊精，但是水解速率很低。除了个别环糊精，大部分环糊精不会被发酵，不会被酵母利用。关于环糊精降解酶糊已有文献报道.。糊精能阻碍谷类α-淀粉酶吸附于淀粉粒上，因此它能阻碍淀粉孺分解作用。它们能有力的抑制甜马铃薯β-淀粉酶、菠菜叶脱支酶、克雷伯氏菌和马铃薯述磷酸化酶。多粘菌素杆菌淀粉酶、米曲霉淀粉酶和猪胰淀粉酶能水解环糊精，但水解速度缓慢。（3）酸水解部分环糊精酸水解会产生葡萄糖和一系列非环状麦芽糖类。包括和原环糊精具有相同数目葡萄糖单元的寡聚糖。具有完整环的环糊精对酸水解的稳定性要高于非环状糊精的2到5倍，这要取决于温度和酸性。例如β-环糊精进行甲基化后成二甲基-β-环糊精，二甲基-β-环糊精具有高水溶性，在100ml水中溶解度达55g。比原β-环糊精在水中溶解度提高近30倍。药物黄体酮在水中的溶解度为13.2g／ml，比在水中提高3.1倍，而在二甲基-β-环糊精水溶液中的溶解度为2020g／ml，比在水中提高150倍六，环糊精的包和特性环糊精包合物的制备、结构、性质和应用研究是环糊精化学的一个重要内容。作为一种简单的有机大分子，环糊精具有与范围极其广泛的各类客体，比如有机分子、无机离子、配合物甚至惰性气体，通过分子间相互作用形成主—客体包合物。环糊精在药物、香料和调味剂的增溶、改性以及分子包装方面，已向世人展示了广阔的应用前景。环糊精与有机客体的包合作用

与客体分子形成包合物是环糊精最重要的性质之一，所谓“包合”就是主体与客体通过分子间相互作用，完成彼此间的识别过程，最终使得客体分子部分或全部嵌入主体内部的现象。2.环糊精与过渡金属配合物的包合作用

七，环糊精的应用环糊精是由环糊精葡糖基转移酶作用于淀粉所产生的一组环状低聚糖，薛定谔（Schardinger)完成了确定CD结构的研究，由于CD具有“内疏水，外亲水”的分子结构，又因CD是手性化合物，这种特殊分子结构赋予CD与多种客体化合物形成包合物的能力，由此而形成主客体分子化学，从而使CD在食品工业，药品工业，分析化学，日用化学品，农业，环保等领域有着非常广泛的应用。（2）用于光谱分析β-CD对显色反应具有一定的作用。研究结果表明，β-CD对显色反应的主要特点[20]有：a.吸收光谱波长一般变化不大；b.增敏作用：增敏作用的主要原因是β-CD与显色配合物形成包合物，抑制金属离子的水解，增强其反应活性；c.有增溶、增稳作用；d.对某些显色体系，能提高选择性，这是因被测金属离子的显色配合物和干扰离子的配合物被CD包合的难易和包合程度不同的缘故。环糊精在分析化学上的应用

（1）用于色谱分析CD包合物的形成，由于其包合物的稳定性及对客体结构和大小的依赖性，导致了CD在色谱分离中应用所产生的高选择性。由于CD是手性化合物，可进行分离异构体，其手段包括薄层色谱、气相色谱、高效液相色谱、亲和色谱、超临界流体色谱及毛细管电泳色谱，就使用方法而言，可做固定相(包括被交联固定化的固定相)、流动相及电泳电解质溶液的添加剂。例如用2，6-二戊基-3-三氟乙酰化(DP-TFA)的α-，β-和γ-CD制备的手性毛细管气相色谱柱，并用来拆分了150多对映体，在高效液相色谱上，CD作为流动组分或固定相。

（4）用于电化学分析一是用电化学方法来研究CD包合物电化学性质，另外，在电化学分析中，应用CD主要致力改善体系的选择性。电化学分析诸方法中CD的应用相对集中于极谱和伏安法。（3）用于荧光和磷光分析

β-CD环糊精与被检测分子形成包合物，可增加被检测分子的荧光或磷光强度，这对提高荧光或磷光分析的灵敏度具有十分重要的意义。但β-CD环糊精的荧光增强作用受到其溶解度的限制，若改用水溶性β-CD环糊精，将大大提高荧光分析灵敏度。2，环糊精在药物改性中的应用

CD无毒、无味、对人体无害，是最为合适的一种药物载体，因此在药物改性上应用较广。药物通过与CD形成包络物来提高药物的溶解度和稳定性，以增强其,生物利用度，缓减药物对胃肠的刺激，消除某些药物的异味。

（1）增加药物溶解度，提高药物的生物利用度。某些药物如灰黄霉素，安体舒通，苯巴比妥，4一联苯醋酸等，单独用药时，由于其在水中溶解度小，生物利用度低，但当它们和β—CD形成水溶性包络物时，溶解度大大提高。如4一联苯醋酸形成CD包络物后，其溶解度提高4．2倍，溶解速度提高18倍,物利用度也因之太为提高。（3）降低药物的刺激性、毒性、副作用、掩盖苦味及特殊气味降低药物的刺激性等

大蒜油具有广泛的药理作用，是一种很有发展前途的中药。由于大蒜油具有不良气味，对胃肠道刺激性大且易挥发，遇光和热不稳定。用β一CD对大蒜油进行包络，可以降低其挥发性增加稳定性(对光、热、湿等)，使大蒜油固体化，制成了多种剂型，提高了疗效。

（2）增加药物的稳定性

盐酸异丙嗪为广泛应用的